压控振荡电路的设计

目录

1、引言......................................................... 3 1.1、MULTISIM和PROFESSIONAL软件仿真软件 ...................... 3 1.2、压控振荡器软件仿真分析的意义 ............................. 3 2、压控振荡器的设计电路图 ....................................... 4 2.1、工作原理 ................................................. 4 2.2、振荡频率 ................................................. 6 2.3、压控振荡电路的仿真图 ..................................... 6 3、频率显示器 ................................................... 8 3.1、频率显示器电路图 ......................................... 8 3.2、频率计的基本原理 ......................................... 8 3.3、频率计的工作原理流程图 ................................... 9 4、单元电路设计及参数计算 ....................................... 9 4.1、时基电路 ................................................. 9 4.2、逻辑控制电路 ............................................ 10 4.3、计数器 .................................................. 11 4.4、锁存器 .................................................. 12 4.5、译码电路 ................................................ 12 5、仿真 ........................................................ 14 6、元器件清单及简介 ............................................ 16 6.1、压控振荡器部分元器件介绍 ................................ 16 7、系统调试和测试 .............................................. 17 8、设计小结 .................................................... 18 参考文献 ....................................................... 19

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压控振荡电路的设计

黄辰晨，电子信息工程

摘 要：压控震荡器是一种信号频率由电压控制的信号产生器件。但需先通过

对函数信号发生器的原理以及构成分析并设计一个能产生出方波的简易信号发生器，然后再对方波发生电路接入一个电压控制电路便构成了压控方波信号发生器，在设计过程中，此部分电路仿真均基于Mulstisim仿真软件。显示被测信号频率的数字测量仪器，它的基本功能是将产生的信号频率测量出来并显示，数字频率显示器主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路，在设计过程中，此部分电路仿真均基于Protues仿真软件。

关键词：压控振荡器；软件仿真；频率显示器；555定时器

Design of Voltage controlled oscillator

Huangchenchen，Department of Electronic Engineering

Abstract: Voltage controlled oscillator is a kind of signal frequency by the

signalcontrol voltage generating device. But the principle of the function signal generator and the structure analysis and design a simple signal generatorcan produce square wave, and then the other wave generating circuit into avoltage control circuit is composed of the pressure wave signal generator,in the design process, this part of the circuit simulation based on Mulstisim software. Display digital measuring instruments measured signal frequency,its basic function is to the generated signal frequency measurement anddisplay, digital frequency display mainly consists of four parts: base (T)circuit, input circuit, a counting display circuit and control circuit, in the design process, this part of the circuit simulation based on Professional simulation software.

Key words: voltage controlled oscillator；simulation； frequency display；555 timer

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1 引言

1.1 Multisim和Protues软件仿真软件

Multisim和Professional软件是皆一款较为先进的电路仿真分析软件，适合于各种模拟/数字电路板的设计应用。Multisim提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等工作。Multisim作为一款优秀的行业专用软件，具有创建电路形象而且直观，全部工作通过电脑屏幕的仿真实验室台完成，所有需要的器件、测试设备都能从屏幕上选取；软件仪器外形与操作方式跟实物吻合，而且实验仿真是实时的。Protues软件实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等；提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大。故综合性考虑将压控振荡部分用Multisim进行仿真而频率显示部分用Protues进行仿真。

1.2 压控振荡器软件仿真分析的意义

伴随着科技的快速发展在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制(AFC)系统中的振荡电路、锁相环路(PLL)中所用的振荡电路等均为压控振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。

因为教学的需要再加上教育改革的深入，实现教育技术现代化、教学手段现代化，尤其是在电工电子实验教学方面，传统的实验教学方式由于受实验室条件的限制，在给学生开展一些扩展型、设计型及综合实验时将会遇到一些困难，且如果先让学生进行软件的仿真还能够激发学生学习的主动性和积极性。Multisim和Protues是一种通用的电子电路的分析模拟软件，且各有优点，它们两者的结合可以更好的完善的电路模拟、仿真、设计分析等功能。是电子系统分析和设计中不可缺少的工具。通过建立精确的电路模型，计算机可以仿真出接近实际电路的结果。

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2 压控振荡器的设计电路图

图2.1 压控振荡器

2.1 工作原理

压控振荡器的原理电路如上图所示，该电路的输入控制电压位直流电压。J1为差动积分电路，积分电压由电压V1提供，J为滞回比较器，它的输出控制着场效应管的导通和截至。

R5U??Uom设滞回比较器J的输出电压为负饱和电压－Uom，即： TH2R5?R6

另一方面通过隔离二极管D1将比较大的负电压加在了场效应管的栅极, 使场效应管进入夹断区而截止, 此时, 积分电路为图2.2。

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图2.2 FET截止 图2.3 FET导通积分电路的电流流向 由图可以看出, U+=UI/2, 根据“虚短”的概念,U-=U+=UI/2， 再根据 “虚断”的概念, 电容器上的充电电流为：

UU1?1 2?U1IC?I1?2R4R

由于输入电压UI为直流电压, 因此电容器C为恒流充电, 电容器C上的电压直线上升, 而A1的输出电压Uo1直线下降, 当Uo1降至

R5?Uom

R5?R6

时, 比较器A2翻转为+Uom。 比较器A2的输出电压+Uom, 一方面使比较器的同相端电压为上门限电压, 即

R5 U TH 1 ? ?UomR5?R6

另一方面使隔离二极管D1截止, 此时, 场效应管因栅源电压为零而饱和导通, 其积分电路可等效为图（2.3）

U1U1由图可知 U 1?2?U1,I?2?U1I?12 2R4RR2R

根据基尔霍夫定律: Ｉ１＝ＩＣ＋Ｉ２, 那么： UUUIC?I1?I2?I?I??I 4 R 2 R 4 R （1）式（1）中的负号说明实际电容器上的电流与标定方向相反。 电容以UI/(4R)

R5的电流大小放电,UC直线下降, Uo1直线上升, 当Uo1升至 ?UomR?R56

时, 比较器J翻转为-Uom, 场效应管又截止, 电容器开始充电, 周而复始。

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2.2 振荡频率

通过以上的分析可知, 差动积分电路的输出电压Uo1是三角波电压, 由于电容器上的充放电电流受到电压ＵＩ的控制, 所以三角波的振荡频率也受外加电压的控制。

duC由电容器的充电电流表达式： iC?Cdt

duCiC?得电容器上的充电速率为：

dtC

在原理图的压控振荡器电路中, 电容器为恒流充电, 充电电流用ＩＣ表示, 那么电容器上的充电速率为： duC?ICdtC

duI又由式（1）可知, 电容器也是以恒流放电, 其放电的速率仍为： C?CdtC

由图可看出: 积分器A1的输出三角波电压的峰峰值为UP-P＝UTH1-UTH2, 三角波的斜率即为电容器的充（放）电的速率, 由此可以计算出积分器的输出电压三角波的上升时间Ｔ１为：

UTH1?UTH2三角波的周期应等于Ｔ１的２倍, 即： T 1?I C

UTH1?UTH2T?2T1?2C（2）

IC

将IC=UI/(4R)代入式（2）得 ： 8(UTH1?UTH2)T?RC II

1f?U1（3）

8(UTH1?UTH2)RC

由式（3）可知, 压控振荡器的振荡频率f与控制电压UI成正比。该电路还可以产生矩形波，矩形波的频率和周期与三角波相等。 通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。我们要得到方波只需适当改变电容C的正反向充电时间常数即可。

2.3 压控振荡电路的仿真图

当R2阻值为20KΩ时其震荡波形图如下：在输出端利用示波器观察波形，电压表测量输出电压，频率计测量频率。仿真分析结果如图2.4所示。频率读数

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约为135.39Hz电压表读数约为5.485V波形没有明显的失真，基本满足要求。

图2.4

当R2阻值为40KΩ时其震荡波形图如下：仿真分析结果和分析图分别为如图2.6与图2.7所示。频率读数约为62.857Hz电压表读数约为5.485V波形没有明显的失真。

图2.5

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误差分析：原因主要是元件参数误差，测量误差以及忽略了二极管的导通电阻等等。

通过对电路的设计和仿真在压控震荡电路部分进行理论计算和实际仿真分析时此设计方案满足课题的要求。

3 频率显示器

3.1 频率显示器电路图如下

图3.1

3.2 频率计的基本原理

通过将被测周期信号整形为同频率的方波信号后，利用555定时器组成的振荡电路所产生的频率为1Hz的标准方波，作为基准时钟，与被整形后的方波信

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号一起经过闸门电路处理输入计数电路，再利用74LS90N的十进制计数功能进行级联计数，计数后输入8位数据/地址锁存器74LS273N以实现锁存和清零功能，最后输入到译码显示电路中，用BCD7段译码器显示出来，这样就实现了对被测周期信号的频率测量并显示的功能。

3.3 频率计的工作原理流程图

如图3.2所示：

脉冲形成闸门电路 计数译码显示电路 门控电路 时间基准信号发生器图3.2 图3.2

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4 单元电路设计及参数计算

4.1 时基电路

用于获得稳定的时间基准信号，以此来控制主控门的开启时间，电路见图4.1

图4.1 时基电路

本设计中采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3.1所示。接通电源后，

2VCCvv电容被充电，当C上升到3时，使O为低电平，同时放电三极管T导通，此VCCvvv时电容C通过R2和T放电，C下降。当C下降到3时，O翻转为高电平。电

容器C放电所需的时间为

tpL?R2Cln2?0.7R2C当放电结束时，T截止，

VCC将

VCC2VCCv通过R1、R2向电容C充电，C由3上升到3所需的时间为

tpH2VCC?(R1?R2)Cln2?0.7(R1?R2)CvC当上升到3时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为

f?

tpL11.43??tpH(R1?2R2)C

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4.2 逻辑控制电路

控制电路需要控制几个模块。包括计数电路，锁存电路，和译码显示电路。通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定.辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关系。

本次设计采用74LS123N组成逻辑控制电路，先启动脉冲置成1，其余触发器置成0，此时时基电路传入脉冲，控制电路开始工作。被测信号通过闸门进入计数电路，于是计数器译码器开始计数，记下所测信号频率值。

当控制电路转为其他状态时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示所测频率值。直到有一次循环，计数器清零，数码管显示消失，到此为止，频率计完成一次测量。

脉冲信号可由两个单稳态触发器74LS123N产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。

逻辑控制电路如图4.2所示：

图4.2 逻辑控制电路

4.3 计数器

为了提高计数速度，可采用同步计数器。采用4个74LS90D二-五-十进制计数器，该芯片无需额外的元器件就可实现十进制计数，所以首选。计数器依次从个位开始计数，向上为发出进位信号而是高位开始计数。其特点是计数脉冲作为

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时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，在每次时钟脉冲沿到来之前，根据当前计数器状态，利用逻辑控制电路，准备好适当的条件。当计数脉冲沿到来时，所有应翻转的触发器同时翻转，同时也使用所有应保持原状的触发器不该变状态。

被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由石英晶体多谐振荡器电路产生，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的.由于频率计的测量范围1～9999Hz，因此采用十进制计数器74LS90D，它不仅可用于对脉冲进行计数，还可用于分频；此电路则需分频，N位进制计数器就是N分频器。

被测信号由闸门开通送入计数器，记录所测信号频率值传入译码显示电路中，显示器显示测得频率值；待闸门关闭，计数器停止工作；电路则继续工作进行下次循环，计数器清零，显示器数值消失，频率计完成一次测量。数字频率计测周期基本原理如图4.4所示

图4.3 数字频率计测周期基本原理图

当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量程误差一起的测量误差太大，为了提高测低频时的准确度，应先测周期TX，然后计算

fx?1TX。

被测信号经过放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，如

TX?10ms，则闸门打开的时间也为10ms，在此期间内，周期为TS的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。若TX?1?s。则计数器记得的脉冲数

N?TXTS=10000

个。若以毫秒为单位，则显示器上的读数为10.000。

以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。

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4.4 锁存器

锁存器是构成各种时序电路的存储单元电路，其具有0和1两种稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持，锁存器是一种脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。在确定的时间内（1s）,计数器的计数结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值.锁存器的作用通过触发脉冲控制.将测得的数据寄存起来,送显示译码器.锁存器可以采用8位并行输入寄存器.为使数据稳定,采用边沿触发方式的器件.

在确定的时间内计数器的技术结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测量的数据寄存起来，送入译码显示器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。

此电路采用74LS273N锁存器，其作用是将计数器在1s结束时锁记得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。当1s计数结束时，通过逻辑电路产生信号送入锁存器，将此时计数的值送入译码显示器。

选用两个8位锁存器74LS273N可以完成上计数功能。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输入等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态的Q不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。

4.5 译码电路

在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。采用七段共阳数码管显示,译码显示器的作用是把计数器产生的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号,从而获得数字显示如图4.4

图4.4 数码管显示及其控制电路

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5 仿真

所有单元电路调制所需值,本此设计采用Professional仿真运行.测信号经由三极管组成的放大器放大后，送到由555构成的施密特触发器的输入端进行整形，使之成为计数器所要求的脉冲信号。由于放大电路的电源值为5V,所以输入信号比较大时，会出现线性失真，放大后的信号不会太大，超过5V。当时基脉冲处于高电平时，闸门电路打开，计数器对输入的脉冲进行计数。当输入信号频率为1000HZ时所测得信号频率值如下图5.1显示1001在误差范围之内,本次设计成功。

图5.1 仿真结果

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6 元器件清单及简介

原件名称 集成运放 电阻 电容 电源 稳压管 滑变电阻 示波器 频率计数器 稳压管 二极管 定时器

表5-1 原件标注 J J1 R C VEE VCC D3 Rw XSC1 XFC1 D1 D2 555 集成块各型号 74LS04 74LS123 参数型号 741 型号较多 -15V 15V 5V 50K? 02DZ4.7 1N4148 74LS48 74LS00 74LS273 74LS90 6.1、部分元器件介绍

图6.1multisim中三端集成运算放大器元器件

运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gjn7.html